汽车试验场高速环道几何线形设计研究及程序开发

在既有高速环道理论基础上对高速环道几何线形设计进行深入研究,在对比了麦克康奈尔(McConnell)和布劳斯(Bloss)缓和曲线设计法的特点后,引入积分算法对麦克康奈尔曲线的计算进行优化,并结合实际应用开发了汽车试验场高速环道几何线形设计程序(OTD)。     

满足行车舒适度的布劳斯曲线设计标准的建立

随着汽车产业的不断发展以及公路建设技术的不断提高,高速环道建设也在不断增加。缓和曲线是高速环道设计的重要方面,国内外高速环道采用的缓和曲线主要有两种:麦克康奈尔(Mcconnell)缓和曲线和布劳斯(Bloss)缓和曲线。两种曲线都满足曲线连续,曲率连续,曲率变化率连续的理想缓和曲线的要求,并各具优缺点。前者是从车辆侧摆和乘车者的行驶舒适性等方面出发推导出的线形,后者是一种纯数学推导线形。如果将两种曲线的各自优点相结合,使布劳斯曲线的线形要素满足行车舒适性的要求,就能使该曲线兼具两种曲线的优点。     

布劳斯曲线在高速环道几何设计中的应用

首先简要介绍布劳斯曲线作为高速环道缓和曲线新形式的设计原理和设计方法，然后以布劳斯曲线的设计原理为基础，结合高速环道几何设计的特点，从平面形状、设计车速、圆曲线半径、缓和曲线长度等方面入手对如何选择高速环道的几何设计技术指标进行探讨，并提出各项技术指标的推荐值。最后，以椭圆型高速环道为例总结布劳斯曲线在高速环道几何设计中的具体应用。     

高速环道线形设计

从汽车试验场高速环道的设计实践出发,对高速环道设计车速、最高车速、圆曲线半径及最大超高角、麦克康纳尔曲线J值等各种基本设计指标的确定进行了分析,并对高速环道平面、横断面、纵断面的线形设计进行了研究与总结,可为今后类似工程的设计提供参考.     

车道宽度以弧长定义的高速环道横断面设计研究

在传统的高速环道横断面设计中,车道宽度的定义与普通公路设计时相同,均为车道的水平投影宽度。根据高速环道横断面超高角较大的特点,分析了设计车道宽度按照水平投影宽定义与按照实际弧长定义时两者的区别,进而提出了一种新的横断面设计方法,设计车道宽度能够被定义为实际车辆行驶路面的曲线弧长。根据高速环道横断面平衡车速设计的基本原理,以三次抛物线方程的横断面设计为例,通过各车道的宽度以及设计平衡车速控制要求构建积分方程组,运用数值计算方法对设计横断面方程的参数进行求解。在允许的工程精度误差范围内利用弧长积分、迭代计算等方法得到横断面方程参数的数值解,在此基础上对横断面进行三维建模设计,并最终有效应用于工程实践中。新设计方法与传统设计方法相比较,在车道宽度的设计依据、工程经济性以及施工效率等方面更有优势。通过对某个典型试验场高速环道横断面设计的实例计算分析,用具体的分析数据证实了新设计方法在工程实践中的作用。在同样满足使用要求的前提下,车道宽度以弧长定义的新设计方法将节省较多的道路面积和路基填方量。新设计方法的研究为今后高速环道横断面的设计提供了不同的设计思路与详细的模型计算方法。     

高速环道几何线形的运动学评价

介绍了高速环道几何设计中常用的麦克康纳尔曲线和布劳斯曲线，然后从人体对运动的敏感度及运动学的角度对两种缓和曲线进行和比较，得出了布劳斯曲线优于麦克康纳尔曲线的结论，为合理选定高速环道的缓和曲线形式提供了理论依据。     

关于高速环道横断面设计探讨

介绍了高速环道横断面设计时平衡车速、车道规模和曲线形式这三个要素的选取原则,在此基础上介绍了高速环道横断面的车道投影等宽和车道实际等宽的设计方法,并对两种设计方法进行了定性的对比分析,得出车道实际等宽设计时能够减少工程土方量,减小工程总投资。     

汽车高速环道多平衡车速设计方法

在既有高速环道理论基础上对高速环道几何线形设计进行了深入研究,提出了多平衡车速设计理论,使得车速分布更加合理,更接近车辆实际运行状态。     

汽车试验场高速环形道几何设计和计算

本文介绍了汽车试验场环形道各曲线段几何参数的设计方法。特别对圆形曲线的横断面曲线、缓和曲线等的计算步骤作了详细说明和推导。     

工程测量中复杂线型的计算方法

为了使设计道路的线形更美观流畅,往往采用更复杂的线形组合。特别在大型立交的匝道设计中,频繁出现小半径不完整缓和曲线段。这就使得测量现场工程人员,在用传统方法详细计算缓和曲线时,会遇到一些问题,主要是计算方法和计算精度两个方面的问题。该文主要针对这两个问题进行一些分析,并提出了解决问题的方法。     

南部非洲几何设计规范平面线形设计综述

为了加强与国外标准对接,该文系统梳理了南部非洲几何设计规范的直线、圆曲线、超高和圆曲线加宽的设计条件及要求。相对于中国公路路线设计方法,南部非洲几何设计强调在公路项目设计中评估直线线形的走向,减小眩目现象对驾驶者的影响;圆曲线最大长度的极限值不应大于1 000 m;当圆曲线超高小于等于最大超高值的60%时,宜设置缓和曲线;当设置缓和曲线时,超高曲线过渡段与缓和曲线重合,超高直线过渡段设置在直线上;当不设置缓和曲线时,习惯做法是将2/3的超高曲线过渡段设置在直线上,将1/3的超高曲线过渡段设置在圆曲线上。     

关于超高的探讨

本文结合平面线形设计，设置缓和曲线的目的，介绍了超高过渡段和缓和曲线之间的相互关系，并给出超高设计的具体计算方法。     

基于双纽曲线线形的小环岛立交关键技术研究

针对小环岛立交线形指标低、曲率曲折多、曲线参数多、整体连续性和安全性能差的特点,提出采用双纽曲线应用于小环道,并分析了其路用性能和综合效益。结果表明：双纽曲线由于曲率变化率均匀,除了进道和出道,不存在曲率突变情况,线形连续,整体性能好,而且离心加速度变化率小,行车舒适;当实际行车速度不超过设计速度的25％时安全性高;采用双纽曲线能够减少占地面积,当缓和曲线越长时越经济。在整体式小环道中,双纽曲线可以作为一种补充方法予以借鉴推广。     

基于车辆偏移阈值的隧道洞口缓和曲线参数研究

为了确定隧道洞口缓和曲线参数的合理取值,建立了隧道洞口附近缓和曲线的计算模型,分析了隧道洞口明暗适应时间、反应时间、缓和曲线起点至隧道洞口距离,确定了有效的适应距离长度,并结合车辆偏移阈值,根据几何关系确定了隧道洞口最小缓和曲线参数随缓和曲线起点至隧道洞口距离的计算图。该计算结果对今后隧道洞口附近线形的设计具有指导意义,避免了JTG D20-2006《公路路线设计规范》中关于隧道洞口内外侧不小于3s设计速度行程长度范围内的线形一致性中定性描述的模糊性。     

道路曲线偏角及夹角的计算方法与精度分析

曲线型道路线形复杂,若能用简明且精度可靠的数学模型算出曲线偏角与夹角,必将在纵横断面测绘、边桩和中桩测设中提高其工作效率。对此,根据圆曲线、缓和曲线的特点,推导出弦线与切线夹角、切线与切线夹角、弦线与弦线夹角的一般计算方法和精确计算方法,结合实际数据进行了验证,并在长深高速公路唐山段勘测设计和施工中应用,提高了效率,保证了精度,收到了良好的效果。     

基于调整缓和曲线参数的中间带宽度变化分幅过渡研究

为了避免因中间带宽度变化引起直线、圆曲线路段出现小偏角及原单曲线被拆分零散化,在历年来历次规范对过渡方式的修订及执行情况分析的基础上,建立了基于调整缓和曲线参数的中间带内外缘缓和曲线计算模型,提出了通过调整缓和曲线参数实现左右分幅线形设计。根据中间带宽度增宽值和中心线缓和曲线长度变化分别与中间带内外缘缓和曲线长度变化相关性研究,得出调整缓和曲线参数的3个可行性方案:一是当中间带单侧宽度变化值小于0.5 m时,通过调整缓和曲线参数能实现中间带宽度变化过渡符合左右分幅线形设计;二是当中间带宽度单侧变化值在0.5～1.0 m范围时,需进一步结合设计中心线圆曲线半径和中间带内外缘缓和曲线参数计算结果分析确定;三是当中间带宽度单侧变化值大于1.0 m时,通过缓和曲线参数调整较难做到,需通过左右分幅线形设计或其他方式来实现中间带宽度变化。确定了满足左右分幅线形设计的中间带宽度变化范围,同时认为在缓和曲线上采用线性渐变的分幅过渡不会出现小偏角或原单圆曲线被拆分零散化,前后路线线形依然保持连续性,交通安全有保障。结合工程实际案例,提出了中间带宽度变化在隧道路段、超多车道高速公路中间带设墩路段等的推广应用。     

平面交叉口城市化改造通行能力及几何设计研究

总结和分析了车流运行特性对交叉口改造类型的选择及通行能力的影响,阐述了改造中设计指标的选取原则。提出在考虑信号周期、绿灯周期、直行车道车辆排队等候长度等因素下右转专用车道展宽段长度、过渡渐变段长度以及出口道长度的几何设计计算方法。通过研究汽车列车右转弯行车轨迹特点的基础上推导了简单型复曲线线形的曲线要素指标,并计算了不同主、副曲线半径下右转车道宽度。     

缓和曲线桥内外缘曲线分析和计算

<正> 随着高速公路和城市立交的大量修建,路线线形标准的不断提高,曲线形桥梁也愈来愈引起人们的重视。由于我国以往的曲线型桥梁数量少,结构简单,施工时多采用现场浇筑,设计人员在曲线分析和计算中,大都采用近似方法试算解决,工作效益低,设计质量难以保证,尤其是在立交匝道上的缓和曲线桥梁,曲线的分析颇为复杂,使设计人员感到棘手。本人在实际工作的基础上,对缓和曲线桥梁的曲线特征进行了一定的分析,推导出考虑到桥梁内外缘和内缘加宽等因素的参数方程,从现论上解决缓和曲线桥的曲线分析和计算问题。目前我院已就此内容,在IBM微机上开发计算程序,届时程序的使用将会对曲线桥梁的设计工作,起到一定的促进作用。     

立交匝道线形机动设计法

本文以直线、圆曲线、缓和曲线为基本线形元自由组合，构成适用于任何复杂的立交匝道平面线形布线基本图形。通过对整条匝道及两端控制线形元，进行设计参数自由度综合机动分析，建立了边界几何约束条件数学模型，提出了机动灵活的线形调整及边界几何闭合方法，扩大了设计适用范围，有利物线形优化设计。     

互通式立交优化设计新方法

本文把立交平面形设计中的两种基本线形－圆曲线，缓和曲线作为构成互通式立交平面线形设计的线形元，并且考虑了行车条件，线形几何约束，超高要求等约束条件，建立了平面线形优化设计的数学模型，以缓圆缓匝道设计为例，采用网络算法对非线民生规划问题进行了求解，避免了用牛顿法计算极值问题时要求隐函数的导数等困难。